(57)【要約】  本明細書で開示された実施形態は、音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するための方法または対応する装置の形で実行されてよい。対応する方法または装置は、通信モジュールに通信連結されたゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールを含み、この中で、個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを定義することができ、論理ブロックのシーケンスは、再構成することなくデータユニットごとに複数の通信プロトコルのいずれかに従ってデータユニットを処理することができる。いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールは、論理ブロックの第１のシーケンスを通じてデータユニットを送ることによって第１の通信プロトコルに従ってデータユニットを処理すること、およびシーケンス論理ブロックの第２を通じてその後のデータユニットを送ることによって第２の通信プロトコルに従ってその後のデータユニットを処理することを行うように構成されてよい。
2019537872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するように構成された通信モジュールであって、前記ネットワーク通信のそれぞれが、複数の通信プロトコルのうちの１つの通信プロトコルで定義される、通信モジュールと、
該通信モジュールに通信連結され、個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを定義するゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールであって、前記論理ブロックのシーケンスが、再構成することなくデータユニットごとに前記複数の通信プロトコルのいずれかに従ってデータユニットを処理することができ、
論理ブロックの第１のシーケンスを通じてデータユニットを送ることによって第１の通信プロトコルに従って前記データユニットを処理すること、および
シーケンス論理ブロックの第２を通じてその後のデータユニットを送ることによって第２の通信プロトコルに従って前記その後のデータユニットを処理すること
を行うように構成される、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールと
を備える、音響ネットワーク内のノード。
【請求項２】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように定義されたルータを利用する、請求項１に記載のノード。
【請求項３】
各データユニットが、対応する通信プロトコルに従って処理するための、前記個々のデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含み、各論理ブロックが、前記データユニットの前記ヘッダの中で指定された前記個々のシーケンスに従って、次の論理ブロックに、または出力ポートに、各データユニットを送るように構成される、請求項１に記載のノード。
【請求項４】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信連結され、前記複数の通信プロトコルの中から１つの通信プロトコルを選択することによってアプリケーション・データを前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信すること、および前記選択された通信プロトコルに従って処理するための、データユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含む前記データユニットに、前記アプリケーション・データをコンバートすることを行うように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項３に記載のノード。
【請求項５】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、送信デバイスからデータユニットを受信すること、通信プロトコルに従って処理するための、前記受信したデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを、前記受信したデータユニットに割り当てることを行うようにさらに構成される、請求項３に記載のノード。
【請求項６】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように定義された多重化ソースおよび多重化シンクを利用する、請求項１に記載のノード。
【請求項７】
論理ブロックの各シーケンスが、通信プロトコルに対応し、論理ブロックの異なるシーケンスが、異なる通信プロトコルに対応する、請求項１から６のいずれかに記載のノード。
【請求項８】
前記複数の通信プロトコルが、
直交周波数分割多重、
符号分割多重接続、
時分割多重接続、
周波数ホッピング・スペクトラム拡散、
時間ホッピング・スペクトラム拡散、
直接シーケンス・スペクトラム拡散、
バイナリ・チャープ・スペクトラム拡散、および
チャープ・ベースの通信方式
のうちのいずれか２つを含む、請求項６に記載のノード。
【請求項９】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、前記論理ブロックの構成パラメータを格納するように構成されたレジスタを含み、前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュール内のレジスタ・コントローラが、前記個々の構成パラメータに基づいて前記論理ブロックを再構成するように構成された、請求項１に記載のノード。
【請求項１０】
ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信連結され、前記構成パラメータを生成すること、および該構成パラメータを前記レジスタに通信することを行うように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項９に記載のノード。
【請求項１１】
前記プロセッサが、前記ネットワーク通信の所与の通信プロトコルを指定する制御信号を受信するようにさらに構成され、前記プロセッサが、前記所与の通信プロトコルに従って、前記論理ユニットがデータユニットを処理できるようにする前記構成パラメータを応答可能なように生成する、請求項１０に記載のノード。
【請求項１２】
前記音響媒体を検知するように構成されたセンサをさらに備え、前記プロセッサが、前記センサに連結され、前記音響媒体の検知した変化にさらに適した次の通信プロトコルに、前記通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するように構成され、前記プロセッサが、前記次の通信プロトコルのデータユニットを前記論理ブロックが処理できるようにするために、前記音響媒体の検知した変化に応じて前記構成パラメータを変更するようにさらに構成された、請求項１０に記載のノード。
【請求項１３】
前記センサが、温度センサ、深度センサ、塩分濃度センサ、運動センサ、および姿勢センサといったセンサのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のノード。
【請求項１４】
前記プロセッサが、継続性チェック信号を別のノードと交換すること、および継続性の損失の検出の後に構成パラメータを変更することを行うように構成される、請求項１０に記載のノード。
【請求項１５】
前記プロセッサが、前記第１の通信プロトコルから前記第２の通信プロトコルに通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するように構成される、請求項１０に記載のノード。
【請求項１６】
前記第１の通信プロトコルまたは前記第２の通信プロトコルが、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散されるチャープ信号を伝送することに基づくチャープ・ベースの通信プロトコルである、請求項１に記載のノード。
【請求項１７】
前記チャープ・ベースの通信プロトコルが、スーパーインポーズされた拡散コードとともに、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターンに続く超音波スペクトル成分を伴うチャープ・ベースの音響パルスを含む、請求項１６に記載のノード。
【請求項１８】
音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するステップであって、前記ネットワーク通信のそれぞれが、複数の通信プロトコルのうちの１つの通信プロトコルで定義される、ステップと、
個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて定義するステップであって、前記論理ブロックのシーケンスが、再構成することなくデータユニットごとに前記複数の通信プロトコルのいずれかに従ってデータユニットを処理することができる、ステップと、
論理ブロックの第１のシーケンスを通じてデータユニットを送ることによって第１の通信プロトコルに従って前記データユニットを処理するステップと、
シーケンス論理ブロックの第２を通じてその後のデータユニットを送ることによって第２の通信プロトコルに従って前記その後のデータユニットを処理するステップと
を含む、音響通信の方法。
【請求項１９】
論理ブロックの前記第１および第２のシーケンスを通じて各データユニットを送るステップが、前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて定義されたルータによって行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
各データユニットが、対応する通信プロトコルに従って処理するための、前記個々のデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含み、前記シーケンス内の各論理ブロックによって、前記データユニットの前記ヘッダの中で指定された前記個々のシーケンスに従って、次の論理ブロックに、または出力ポートに、各データユニットを送る、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の通信プロトコルの中から１つの通信プロトコルを選択することによってアプリケーション・データを前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信するステップ、および前記選択された通信プロトコルに従って処理するための、データユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含む前記データユニットに、前記アプリケーション・データをコンバートするステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
送信デバイスからデータユニットを受信するステップ、および通信プロトコルに従って処理するための、前記受信したデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを、前記受信したデータユニットに割り当てるステップ、をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
論理ブロックの前記第１および第２のシーケンスを通じて各データユニットを送るステップが、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように、前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて定義された多重化ソースおよび多重化シンクによって行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
論理ブロックの各シーケンスが、通信プロトコルに対応し、論理ブロックの異なるシーケンスが、異なる通信プロトコルに対応する、請求項１８から２３のいずれかに記載のノード。
【請求項２５】
前記複数の通信プロトコルが、
直交周波数分割多重、
符号分割多重接続、
時分割多重接続、
周波数ホッピング・スペクトラム拡散、
時間ホッピング・スペクトラム拡散、
直接シーケンス・スペクトラム拡散、
バイナリ・チャープ・スペクトラム拡散、および
チャープ・ベースの通信方式
のうちのいずれか２つを含む、請求項２４に記載のノード。
【請求項２６】
前記論理ブロックの構成パラメータを格納するステップ、および前記個々の構成パラメータに基づいて前記論理ブロックを再構成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記構成パラメータを生成するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ネットワーク通信の所与の通信プロトコルを指定する制御信号を受信するステップ、および前記所与の通信プロトコルに従って、前記論理ブロックがデータユニットを処理できるようにする前記構成パラメータを生成するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記音響媒体を検知するステップ、前記音響媒体の検知した変化にさらに適した次の通信プロトコルに、前記通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するステップ、前記次の通信プロトコルのデータユニットを前記論理ブロックが処理できるようにするために、前記音響媒体の検知した変化に応じて前記構成パラメータを変更するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
検知する前記ステップが、温度センサ、深度センサ、塩分濃度センサ、運動センサ、および姿勢センサといったセンサのうちの少なくとも１つによって行われる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
継続性チェック信号を別のノードと交換するステップ、および継続性の損失の検出の後に構成パラメータを変更するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の通信プロトコルから前記第２の通信プロトコルに通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の通信プロトコルまたは前記第２の通信プロトコルが、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散されるチャープ信号を伝送することに基づくチャープ・ベースの通信プロトコルである、請求項１８に記載の方法。
【請求項３４】
前記チャープ・ベースの通信プロトコルが、スーパーインポーズされた拡散コードとともに、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターンに続く超音波スペクトル成分を伴うチャープ・ベースの音響パルスを含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１６年１０月２１日に出願の米国特許仮出願第６２／４１１，１８５号明細書の利益を主張する。上記の出願の教示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（政府支援）
本発明は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎからの認可番号第ＣＮＳ−１５０３６０９号の下、政府支援により行われた。政府は、本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
ネットワーキング技術は、多くの商業活動、科学活動、および消費活動において有益な役割を果たす。既存ネットワーキング技術は、所与の通信プロトコルを使用して高データレートで伝送することができる。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の実施形態は、高データレートでデータを伝送すること、および通信プロトコルまたは通信方法を同時に変更することを、ネットワーキング・デバイスがリアルタイムに行うことを可能にする。
【０００５】
本開示の実施形態は、説明のみを目的として、水中音響通信という観点から説明される。本開示の実施形態および本明細書で提示されるソリューションは、ネットワーキング技術またはネットワーキング・デバイスのいずれのタイプにも利用され得るということを当業者は認識するであろう。例えば、本開示のいくつかの実施形態は、無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）伝送、音響伝送、光伝送、または当技術分野で知られる伝送の他のいずれかのタイプを伴う通信ネットワークを含む通信ネットワークのいずれかのタイプにおいて使用されてよい。しかし、本明細書で開示される実施形態によるネットワーキング技術の改良は、下記で説明される理由により、水中音響ネットワークにおいて特に有益である。さらに、用語「音響（ａｃｏｕｓｔｉｃ）」は、超音波波形を含めた全ての音響波形を含むものとして理解されたい。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在の水中音響ワイヤレス通信プラットフォームは、ポイント・ツー・ポイント、低データレート、および、遅延を許容する応用分野をサポートすることしかできない柔軟性のないハードウェアに基づいている。既存の市販モデムは、長距離（すなわち、少なくとも約１ｋｍ）にわたって低速接続を行うようにデザインされた。水中チャネルにおける減衰は周波数とともに指数関数的に増加するので、ほとんどのモデムは、長距離を実現するために比較的低周波数帯域で動作する。既存の市販モデムは、水平リンク上のリンク距離１ｋｍで２０ｋｂｉｔ／ｓより低いデータレートを実現する波形をもたらすことが多い。ビデオ・ストリーミングのような先進的な用途は、現在の技術では大部分が不可能である。
【０００７】
要するに、既存プラットフォームの大半が以下の制約をこうむる。
【０００８】
低データレート。水中音響伝搬の物理的性質により、（例えば３０ｋＨｚより小さい）低周波数の音響波だけが、ｋｍ範囲の距離にわたって伝搬することができる。したがって既存の市販モデムは、大きく、必然的に制限された帯域幅（すなわち約数ｋＨｚ）を有する低周波圧電共振器によって音響波を生成する。しかしより短い距離を伝送するとき、関心のある多くの検知および制御の用途にあるように、さらに高いデータレートで通信するために、超音波領域（例えば１ＭＨｚ〜２ＭＨｚまで）における比較的広い帯域幅を使用して、広帯域（マルチキャリアまたは衝撃）波形を生成することが有益である。しかし、Ｍｂｉｔ／ｓのオーダーのデータレートを可能にできる、距離に依存する波形最適化は、現在の水中ワイヤレス技術では可能ではない。既存の水中ワイヤレス通信プラットフォームは、リンク距離と引き換えにデータレートを手に入れるという柔軟性をもたらさない。
【０００９】
ハードウェア・ベースで柔軟性のない専用のアーキテクチャ。既存の市販モデムでは、全波形生成機能を含む物理層がハードウェアに実装され、専用である。これより上の層は、定義さえされていないことが多い。
【００１０】
狭帯域で大きいトランスデューサ。既存のシステムにおいて、典型的には、電気ドメインから音響ドメインに信号をコンバートするために、大きい圧電トランスデューサが使用される。２つの主な影響がある。第１に、達成可能なデータレートは、達成可能なスペクトル効率倍した（小さい）帯域幅の積（すなわち数ｋｂｉｔ／ｓ）に等しい値に制限される。第２に、音響フロントエンドにおける柔軟性のこのような不足は、様々な周波数チャネルに切り替える動的スペクトル・アクセス・アロケーション方式を、ネットワーキング・デバイスが実装できないことを意味する。これは、ネットワーキング・デバイスが、固定音響チャネルにハードウェア調整されることを生じ、変動周波数（ｃｈａｎｇｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を妨げる。したがって既存ネットワーキング・デバイスは、干渉、妨害、または同じ場所での伝送（ｃｏ−ｌｏｃａｔｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）に、周波数または波形の多様性で反応する能力に欠ける。
【００１１】
エネルギー非効率。既存システムはエネルギー効率が悪く、水中ネットワークの導入は、バッテリ寿命によって制限される。今日時点で、バッテリ交換は、導入されたネットワーク・ノードを物理的に回復させる必要がある複雑な問題である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の実施形態は、上述の問題に対処するために行われる。例えば、本開示の少なくとも１つの実施形態は、低レベル処理機能のための、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュール（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プログラマブル・ロジック、等）、ならびに典型的なマイクロコントローラより多くのメモリ、および、より強力な処理能力を有する汎用プロセッサ（例えば中央処理装置）を備える基板に基づく、高データレートのソフトウェア定義された水中音響ネットワーキング・プラットフォーム（すなわちネットワーク・ノード）を含む。プロセッサとゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールとの組合せは、ハードウェアおよびソフトウェアの再プログラミング性をもたらす。
【００１３】
実施形態の少なくとも１つの例によれば、本開示は、音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するための方法または対応する装置の形で実行されてよい。本開示の１つの実施形態による対応する方法または装置は、音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するように構成された通信モジュールであって、ネットワーク通信のそれぞれが、複数の通信プロトコルのうちの１つの通信プロトコルで定義される、通信モジュールを含む。
【００１４】
実施形態の例は、通信モジュールに通信連結され、個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを定義するゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールであって、論理ブロックのシーケンスが、再構成することなくデータユニットごとに複数の通信プロトコルのいずれかに従ってデータユニットを処理することができる、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールをさらに含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールは、論理ブロックの第１のシーケンスを通じてデータユニットを送ることによって第１の通信プロトコルに従ってデータユニットを処理すること、および論理ブロックの第２のシーケンスを通じてその後のデータユニットを送ることによって第２の通信プロトコルに従ってその後のデータユニットを処理することを行うように構成されてよい。
【００１５】
少なくとも１つの他の実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールは、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように定義されたルータを含むことができる。いくつかの実施形態において、各データユニットは、対応する通信プロトコルに従って処理するための、個々のデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含み、各論理ブロックは、データユニットのヘッダの中で指定された個々のシーケンスに従って、次の論理ブロックに、または出力ポートに、各データユニットを送るように構成される。
【００１６】
本開示のいくつかの実施形態は、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信連結され、複数の通信プロトコルの中から１つの通信プロトコルを選択することによってアプリケーション・データをゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信すること、および選択された通信プロトコルに従って処理するための、データユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含むデータユニットに、アプリケーション・データをコンバートすることを行うように構成されたプロセッサをさらに備える。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールは、送信デバイスからデータユニットを受信すること、通信プロトコルに従って処理するための、受信したデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを、受信したデータユニットに割り当てることを行うようにさらに構成される。
【００１８】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールは、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように定義された多重化ソースおよび多重化シンクを利用する。
【００１９】
いくつかの実施形態において、論理ブロックの各シーケンスは、通信プロトコルに対応し、論理ブロックの異なるシーケンスは、異なる通信プロトコルに対応する。
【００２０】
本開示の実施形態は、直交周波数分割多重、符号分割多重接続、時分割多重接続、周波数ホッピング・スペクトラム拡散、時間ホッピング・スペクトラム拡散、直接シーケンス・スペクトラム拡散、バイナリ・チャープ・スペクトラム拡散、およびチャープ・ベースの通信プロトコルという、通信プロトコルのいずれかを含むがこれらに限定されない複数の通信プロトコルを送受信することができる。
【００２１】
本開示のいくつかの実施形態は、音響媒体を検知するように構成されたセンサをさらに含み、プロセッサは、センサに連結され、音響媒体の検知した変化にさらに適した次の通信プロトコルに、通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するようにさらに構成される。プロセッサは、次の通信プロトコルのデータユニットを論理ブロックが処理できるようにするために、音響媒体の検知した変化に応じて構成パラメータを変更するようにさらに構成されてよい。いくつかの実施形態において、センサは、温度センサ、深度センサ、塩分濃度センサ、運動センサ、姿勢センサ、またはこれらの組合せであってよい。
【００２２】
いくつかの実施形態において、第１の通信プロトコルまたは第２の通信プロトコルは、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散されるチャープ信号を伝送することに基づくチャープ・ベースの通信プロトコルであってよい。いくつかの実施形態において、チャープ・ベースの通信プロトコルは、スーパーインポーズされた拡散コードとともに、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターンに続く超音波スペクトル成分を伴うチャープ・ベースの音響パルスを含むことができる。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、プロセッサは、ソフトウェア定義された機能を実行し、再構成可能な高水準ネットワーキング・プロトコル（すなわち、タイム・クリティカルでないメディア・アクセス制御（ＭＡＣ：Ｍｅｄｉａ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能、ネットワーク、アプリケーション）を定義することができる。いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールは、物理層、およびタイム・クリティカルなＭＡＣ層の機能を制御する。このようにして、処理負荷のかかる物理層の機能はソフトウェア定義されるが、（ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールのレジスタまたはルータを使用して、またはゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールの部分的な再構成によって）リアルタイムに再構成されることが可能なハードウェアにおいて実行される。したがって、データレートを制限する高い処理レイテンシをもたらす、純粋にソフトウェア定義された実装形態とは異なり、また再構成能力のない、純粋なハードウェア実装形態とは異なり、本開示の実施形態は、ハードウェア実装形態の低遅延かつ高データレートの特性、ならびにソフトウェア実装形態の再構成能力をもたらすことができる。
【００２４】
さらに、水中ネットワーキング・プラットフォームの実施形態は、下記で詳細に論じられる、秘匿性のある（ｓｔｅａｌｔｈｙ）水中通信のための斬新な音響伝送方式を利用することができる。これらの音響伝送方式（すなわち通信プロトコル）は、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散されるチャープ信号を伝送することに基づく、コード−時間−周波数多次元拡散を伴うチャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩ水中音響通信を含む。これは、単一次元（すなわちコードまたは周波数）だけを考慮するプロトコルに比べて、より高いＬＰＤ／ＬＰＩ性能をもたらし、容易に認識も検出もできないホッピング・コーディング・パターンをもたらす。さらに、チャープ信号は水中環境の至るところにあり（例えばイルカのクリック音）、敵がチャープを検出して通信システムと関連付けるのは容易ではない。
【００２５】
前述のことは、様々な図の全体を通して同様の参照文字が同じ部分を指す添付の図面に示されるような実施形態の例の、以下のさらに詳しい説明から明らかになる。図面は必ずしも拡大縮小されず、代わりに実施形態を示すことに重点が置かれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】水中音響ワイヤレス通信プラットフォームのハードウェア・アーキテクチャを示す図である。
【００２７】
【図２】処理およびプログラマブル・ロジック・モジュールのためのソフトウェア・アーキテクチャの例を示す図である。
【００２８】
【図３Ａ】ゼロ・パデッド直交周波数分割多重（ＺＰ−ＯＦＤＭ：Ｚｅｒｏ−Ｐａｄｄｅｄ  Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信プロトコルを実行する、処理およびプログラマブル・ロジック・モジュールの実施形態の例を示す図である。
【００２９】
【図３Ｂ】ＺＰ−ＯＦＤＭ通信プロトコルを実行する、処理およびプログラマブル・ロジック・モジュールの物理層のブロック図を示す図である。
【００３０】
【図４Ａ】ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールがデザイン・ルータ・ブロックを用いる、処理およびプログラマブル・モジュールのブロック図を示す図である。
【００３１】
【図４Ｂ】ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールがソース、シンク、および相互接続された論理ブロックを用いる、処理およびプログラマブル・モジュールのブロック図を示す図である。
【００３２】
【図４Ｃ】ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、多重化ソースおよび多重化シンクを用いる、処理およびプログラマブル・モジュールのブロック図を示す図である。
【００３３】
【図５】いくつかの実施形態による、データユニットのフォーマットの例を描写する図である。
【００３４】
【図６Ａ】チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩ通信プロトコルの例を描写する図である。
【００３５】
【図６Ｂ】深刻なマルチパスを有するチャネル機能の例のグラフである。
【００３６】
【図６Ｃ】周波数ホッピング・フレーム長、時間ホッピング・フレーム長、および拡散コード長（Ｎｆ、Ｎｈ、Ｎｓ）の異なるセットに関する、ＳＮＲ値に対するＢＥＲ値のグラフである。
【００３７】
【図６Ｄ】実際のＬＰＩ／ＬＰＤ波形出力のスペクトログラムである。
【００３８】
【図７】ワイヤレス・エネルギー移送ユニットの例の概略図である。
【００３９】
【図８Ａ】集中型および非集中型制御の複合ネットワーク・トポロジの例を示す図である。
【００４０】
【図８Ｂ】水中Ｗｉ−Ｆｉネットワークを可能にする複合ネットワークの応用例を示す図である。
【００４１】
【図９】本開示の様々な実施形態が実行され得るコンピュータの内部構造の例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
実施形態の例の説明が続く。
【００４３】
本開示の実施形態は、水中インフラストラクチャ（例えば石油掘削装置）、および／または無線周波数（ＲＦ）ドメインと音響ドメインとの間のゲートウェイとして機能する基地局がある領域における、無人車両、スキューバ・ダイバー、および他の機器のための、短距離（すなわち５００ｍまで）高速ワイヤレス接続を行うことができる水中ワイヤレス技術を含む。したがって、いくつかの実施形態は、（下記で詳細に論じられる）直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式に基づき、距離、チャネル、トラフィック、および他のファクタに基づいて時間周波数ブロックをユーザ／デバイスに動的に割り当てるリソース・アロケーション方式を実装する。
【００４４】
図１は、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００の例のハードウェア・アーキテクチャ（すなわちネットワーク・ノード）を示す。いくつかの実施形態によれば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、圧力筐体１５０の中にある１つまたは複数のモジュールを含むことができる。図１に示された実施形態の例は、処理およびプログラマブル・ロジック・モジュール１１０、通信モジュール１２０、電力モジュール１３０、およびセンサ・モジュール１４０といった４つのモジュールを備える。いくつかの実施形態において、モジュールは、別個の重複しない機能を有することができ、各モジュールは、標準インターフェースを通じて他のモジュールにインターフェースされることが可能である。このことは、モジュールが取り替え可能でアップグレード可能であることを可能にし、このようにして、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、様々な用途のニーズを適切にサポートするよう、ハードウェアの進化および再構成をもたらすことができる。
【００４５】
いくつかの実施形態によれば、処理およびプログラマブル・モジュールは、汎用処理ユニット１１２（例えば、ＣＰＵ、またはＡＲＭ処理システム）、およびゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、プログラマブル・ロジック、等）を単一基板上に組み込む。汎用処理ユニット１１２とゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４との組合せは、ハードウェアおよびソフトウェアの再プログラム可能性（ｒｅｐｒｏｇｒａｍｍａｂｉｌｉｔｙ）をもたらす。
【００４６】
いくつかの実施形態によれば、汎用処理ユニット１１２は処理システムの中心であり、オンチップ・メモリ、外部メモリ・インターフェース、および、周辺機器接続インターフェースの豊富なセットを含む。処理およびプログラマブル・モジュール１１０のアーキテクチャは、（ｉ）オペレーティング・システムを動かし、高水準言語（例えば、Ｃ＋＋、Ｐｙｔｈｏｎ、等）でプログラムされることが可能なマイクロコントローラと、（ｉｉ）エネルギー効率を犠牲にすることなく、異なる物理層プロトコル、および他の計算負荷のかかるデータ処理動作をサポートする際に、（オフラインでの、または実行時間中の）ハードウェア再構成を可能にするゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４との、組み合わされた利益をもたらす。処理およびプログラマブル・モジュール１１０のアーキテクチャは、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４と処理ユニット１１２との間の、低遅延で高スループットかつキャッシュ・コヒーレントな通信も行う。このようにして処理負荷のかかる機能は、ハードウェア（ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４）で実行されている間にソフトウェア定義されることが可能である。このことは、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００が低遅延で機能を実行すること、およびゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４の、レジスタを通じたリアルタイムな再構成、および部分的な再構成を依然として行えることを可能にする。
【００４７】
いくつかの実施形態によれば、汎用処理ユニット１１２は、マスタとスレーブ両方として動作できる２つのＩ２Ｃブロックを含むＩ／Ｏ周辺機器のセット、ならびに任意のセンサ、データ・コンバータ、およびメモリと仮想的に接続できるようにする複数の汎用入出力（ＧＰＩＯ：ｇｅｎｅｒａｌ  ｐｕｒｐｏｓｅ  ｉｎｐｕｔ  ｏｕｔｐｕｔ）ピンを含むことができる。いくつかの実施形態において、汎用処理ユニット１１２は、複数の同時かつ連続的なデータ・フローを可能にする、マルチレイヤの先進マイクロ・コントローラ・バス・アーキテクチャ（ＡＭＢＡ：ａｄｖａｎｃｅｄ  ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ｂｕｓ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）の先進拡張可能インターフェース（ＡＸＩ：ａｄｖａｎｃｅｄ  ｅＸｔｅｎｓｉｂｌｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）相互接続を通じて、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４に接続されることが可能である。
【００４８】
いくつかの実施形態において、汎用処理ユニット１１２は、再構成可能な高水準ネットワーキング・プロトコル（すなわち、タイム・クリティカルでないＭＡＣ機能、ネットワーク、およびアプリケーション）を定義するために、ソフトウェア定義された機能を実行する。汎用処理ユニット１１２は、アプリケーション固有機能を実行することもできる。いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、物理層、およびタイム・クリティカルなＭＡＣ層の機能を実行することができる。このようにして、処理負荷のかかる物理層、およびタイム・クリティカルなＭＡＣの機能は、ソフトウェア定義されるが、リアルタイムに再構成されることが可能なハードウェアにおいて実行される（例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、および各図に付随する説明を参照されたい）。
【００４９】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを含むことができる。これらの論理ブロックは、様々な基本処理機能を行うために個別に再構成されることが可能な、再構成可能ハードウェア回路機器を含むことができる。いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、論理ブロックの連続シーケンスを通じて（すなわち、１つの論理ブロックから次の論理ブロックへ）データを送ることによってデータを処理することができ、各論理ブロックが基本処理機能を行い、論理ブロックの集合シーケンスが複雑な処理タスクを行う。
【００５０】
論理ブロックの例は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、逆ＦＦＴ（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  ＦＦＴ）、ＦＩＲフィルタ、インターリーバ、非インターリーバ（Ｄｅ−Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｒ）、スクランブラ、非スクランブラ（Ｄｅ−Ｓｃｒａｍｂｌｅｒ）、巡回冗長検査、畳み込みエンコーダ／デコーダ、サイクリック・プレフィックス、搬送波周波数オフセット補正、パルス整形、順方向誤り訂正符号化（Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｅｒｒｏｒ  Ｃｏｄｉｎｇ）、自動利得制御、および、シンボル・マッピング／デマッピング（例えば、２位相偏移変調、４位相偏移変調、直角位相振幅変調）を行う論理ブロックを含む。
【００５１】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、データが送られている論理ブロックの連続シーケンスを変更することによって、データに対してリアルタイムに行われるハードウェア・レベルの複雑な処理を変更することができる。このことは、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４が、論理ブロック自体の再構成を必要とすることなく、（例えばデータユニットごとに）実行時間中にこのハードウェアによって実行される処理を変更できるようにする。
【００５２】
例えば、いくつかの実施形態において、論理ブロックの集合シーケンスによって行われる複雑な処理タスクは、通信プロトコルまたは方式による（例えば、データ・フレーム、データ・パケット、等といった）データの処理ユニットであってよい。論理ブロックの集合シーケンスを変更することによって、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、データのその後のユニットのための通信プロトコルまたは方式を変更することができる。したがって、通信プロトコルまたは方式のこの変更は、論理ブロック自体の再構成を必要とすることなく、データユニットごとに行われることが可能である。
【００５３】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、５３，０００個までのルック・アップ・テーブル（ＬＵＴ：ｌｏｏｋ−ｕｐ−ｔａｂｌｅ）、８５，０００個までのロジック・セル、および２２０個までのＤＳＰスライスをチップ・スケール・パッケージ（１７ｍｍ×１７ｍｍ）に含めることができる。ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、デジタル信号処理（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）機能論理ブロックのセットをさらに含むことができ、これにより、汎用処理ユニット１１２が、計算コストの高いＭＣＵ動作をゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４に移すことを可能にする。
【００５４】
いくつかの実施形態によれば、通信モジュール１２０は、データ・コンバータ、電力／低ノイズ増幅器、および音響トランスデューサ１２９を通じた音響／超音波ワイヤレス接続を可能にする。いくつかの実施形態において、音響トランスデューサ１２９は、動作周波数範囲が１Ｈｚから１７０ｋＨｚまでのハイドロフォンであってよい。トランスデューサは、動作周波数範囲にわたって均一受信感度−２１１［ｄＢ  ｒｅ  １Ｖ／μＰａ  ａｔ  １ｍ］、および１００ｋＨｚにおいて最大送信感度１３０［ｄＢ  ｒｅ  １μＰａ／Ｖ  ａｔ  １ｍ］を有することができる。トランスデューサは、水平軸では無指向性、垂直軸では２７０°の指向性パターンを生み出すことができる。
【００５５】
いくつかの実施形態によれば、通信モジュール１２０は２つのトランスデューサを含むことができ、各トランスデューサは、音響スペクトルの異なる部分に対して動作する。上述のトランスデューサに加えて、通信モジュール１２０は、動作周波数範囲が１０ｋＨｚから８００ｋＨｚまでの第２のトランスデューサを含むことができる。このトランスデューサは、上記のトランスデューサがカバーできないスペクトル部分に対して動作するように選択された。第２の任意選択のトランスデューサは、動作周波数範囲にわたって比較的均一な受信感度−２２８［ｄＢ  ｒｅ  １Ｖ／μＰａ  ａｔ  １ｍ］、および７００ｋＨｚにおいて送信感度１３８［ｄＢ  ｒｅ  １μＰａ／Ｖ  ａｔ  １ｍ］を有することができる。さらに、第２の任意選択のトランスデューサは、無指向の水平指向性パターン、および６０°〜１２０°の垂直指向性パターンを有することができる。
【００５６】
いくつかの実施形態において、通信モジュール１２０は、送信器（Ｔｘ）チェーン１２１および受信器（Ｒｘ）チェーン１２２を含む。Ｒｘチェーン１２２は、受信信号を増幅してデジタル変換するための、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ：ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１２６およびアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ：ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１２４を含むことができる。Ｔｘチェーン１２１は、伝送前にデジタル波形をアナログ変換して増幅するための、デジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ：ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ａｎａｌｏｇ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１２３および電力増幅器（ＰＡ：ｐｏｗｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１２５を含むことができる。いくつかの実施形態において、Ｔｘチェーン１２１は、ＰＡ１２５に反射して伝送されていない信号の大きさを最小化するために、音響トランスデューサ１２９の入力インピーダンスをＰＡ１２５の出力インピーダンスとマッチさせるマッチング回路機器（ＭＣ：ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）１２７を含むこともできる。
【００５７】
いくつかの実施形態によれば、通信モジュール１２０は、時間分割方式で音響信号を送受信するために、１つの音響トランスデューサ１２９を使用できるようにする電子スイッチ１２８をさらに含む。
【００５８】
いくつかの実施形態において、通信モジュールは一方で、無線周波数（ＲＦ）通信モジュール、または通信モジュールの他のいずれかのタイプ（例えば、光、等）であってよい。水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００のいくつかの実施形態は、複数の様々な通信モジュールを含むことができる。例えば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、ＲＦ通信モジュールと音響通信モジュールの両方を含むことができ、水中域ネットワークとＲＦネットワークとの間のゲートウェイとして、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００が機能することを可能にする。
【００５９】
図１を再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、電力モジュール１３０は、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００に電力を供給する中央バッテリ・ユニット１３２を含むことができる。いくつかの実施形態において、電力モジュール１３０は、音響波によってワイヤレスで中央バッテリ・ユニット１３２を再充電できるようにするワイヤレス・エネルギー移送ユニット１３７とインターフェースする１つまたは複数の環境発電トランスデューサ１３５をさらに含むことができる。
【００６０】
いくつかの実施形態によれば、センサ・モジュール１４０は、ＡＤＣなどの標準アナログ・インターフェース、またはシリアル・ペリフェラル・インターフェース（ＳＰＩ：Ｓｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などのデジタル・インターフェースを通じて、異なるいくつかのセンサへのインターフェースを行う。
【００６１】
図２は、いくつかの実施形態による、処理およびプログラマブル・ロジック・モジュール１１０のためのソフトウェア・アーキテクチャ２００の例を示す。いくつかの実施形態において、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、汎用処理ユニット１１２上で動き、先進拡張可能インターフェース（ＡＸＩ）２２１を使用してゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４と通信する、オペレーティング・システム（例えばＬｉｎｕｘ（登録商標））に依存する可能性がある。いくつかの実施形態において、全ての物理層２５０の機能、ならびにタイム・クリティカルなＭＡＣの機能は、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４において実行されてよいが、タイム・クリティカルでないＭＡＣ、ネットワーク、およびアプリケーション層２１０ａ、２１０ｂの機能は、汎用処理ユニット１１２上で実行されてよい。
【００６２】
いくつかの実施形態によれば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、様々な通信プロトコルおよび前方誤り訂正（ＦＥＣ：ｆｏｒｗａｒｄ  ｅｒｒｏｒ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）技法に従ってデータを処理するための論理ブロックおよびライブラリを備える物理層２５０を含むことができる。具体的には、通信プロトコルは、ゼロ・パデッド直交周波数分割多重（ＺＰ−ＯＦＤＭ）プロトコル、およびバイナリ・チャープ・スペクトラム拡散（Ｂ−ＣＳＳ：Ｂｉｎａｒｙ  Ｃｈｉｒｐ  Ｓｐｒｅａｄ−Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）プロトコルを含むことができ、誤り訂正技法は、リード・ソロモン（ＲＳ：Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ）コードおよび畳み込み符号を含むことができる。
【００６３】
いくつかの実施形態において、物理層２５０は、個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを含む。例えば、これらの基本処理機能は、シンボル・マッピング、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、ならびに新しい物理層プロトコルのすばやい実行およびプロトタイピングを可能にするフィルタを含むことができる。
【００６４】
いくつかの実施形態によれば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、様々なＭＡＣプロトコル、ネットワーク・トポロジ構成、および物理層適合メカニズムを実装する、データ・リンク層ライブラリ（２２０ａおよび２２０ｂ）のセットを用意することができる。汎用処理ユニット１１２のデータ・リンク層２２０ａは、タイム・クリティカルでないＭＡＣプロトコルを実行することができ、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４のデータ・リンク層２２０ｂは、タイム・クリティカルなＭＡＣの機能を実行することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態において、データ・リンク層２２０ａは、キャリア検知多重アクセス／衝突回避（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｓｅｎｓｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）、およびＡＬＯＨＡ、ならびに（例えば、スロット・フロア取得多重アクセス（ＦＡＭＡ：ｆｌｏｏｒ  ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｃｃｅｓｓ）（ｓｌｏｔｔｅｄ  ｆｌｏｏｒ  ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｃｃｅｓｓ）などの、時分割多重接続（ＴＤＭＡ：ｔｉｍｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｃｃｅｓｓ）ベースのプロトコルといった）様々なＭＡＣプロトコルの実行を可能にするための、再伝送、タイマー、チェックサム・ベースのエラー制御、およびアイドル・リスニングを含む基本機能のセットを含めた様々なＭＡＣプロトコルを実行することができる。
【００６６】
ＣＳＭＡ／ＣＡは、進行中の伝送との衝突を防ぐキャリア検知メカニズムに依存する媒体アクセス制御技法である。具体的には、ネットワーク・ノードがデータ伝送を開始すると、ネットワーク・ノードはまず、一定時間（およそフレーム間隔の間）、媒体を検知する。アイドリングし続けている媒体をネットワーク・ノードが検知すると、ネットワーク・ノードは伝送処理を開始する。しかし、ＵＷ−Ａチャネルにおける長い伝搬遅延により、ＣＳＭＡ／ＣＡはあまり効果的でないことが知られているが、ＣＳＭＡ／ＣＡは、非常に短い、または短い通信リンクのための実行可能オプションである可能性がある。
【００６７】
ＡＬＯＨＡは、ランダム・アクセスに基づく媒体アクセス制御プロトコルである。ネットワーク・ノードがパケットを伝送することを望むと、ネットワーク・ノードは、検知せずに媒体にアクセスする。それぞれの成功した伝送は受信器によって確認され、そうでなければ、送信ノードは、衝突が発生したと推論する。この場合、送信器は、ランダム時間（すなわち、バック・オフ時間）待ち、パケットを再伝送する。本開示の実施形態は、伝送シナリオに応じて様々なプロトコル間で切り替えるための柔軟性およびリアルタイム再構成能力を提供する。このことは、複数のプロトコルの属性を最大化するために、データユニットごとに複数のプロトコル間で途切れることなく、本開示の実施形態が切り替わることを可能にする。
【００６８】
いくつかの実施形態において、データ・リンク層２２０ａは、様々なネットワーク・トポロジ構成をサポートすることができる。例えば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００のデータ・リンク層２２０ａは、集中型制御と非集中型制御の両方でネットワークの中で動作できる、水中音響ネットワーク（ＵＡＮ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｎｅｔｗｏｒｋ）デバイスのネットワーク・ノードをサポートすることができる。集中型制御のネットワークでは、中心（マスタ）ノードとして１つのネットワーク・ノードが割り当てられ、中心ノードは、残りのネットワーク・ノードを協調させる。
【００６９】
いくつかの実施形態によれば、中心ノード（例えば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００）は、他のネットワーク・ノードより高度な計算リソースおよびメモリ・リソース（例えば、送信器および／または受信器を装備したセンサ）を有することができる。いくつかの実施形態において、中心ノードは、水中音響ネットワークと陸上ネットワークとの間のゲートウェイの役割をすることもあり、この場合、中心ノードは、音響通信能力に加えてＲＦ通信をサポートする。例えば、このような構成は、リアルタイムおよび連続的な監視を必要とするＵＡＮの用途のために使用されることが可能であり、ここで、ネットワーク内で集められたデータは、中心ノードに送られる。その後、中心ノードは、中心ノードのＲＦ通信モジュールを通じて、集められたデータをショア・ステーション（ｓｈｏｒｅ  ｓｔａｔｉｏｎ）またはデータベースに移送する。
【００７０】
いくつかの実施形態において、データ・リンク層２２０ａは、非集中化制御でネットワーク構成をサポートすることもでき、ここで、各ネットワーク・ノードは、いずれかの中心アイデンティティの制御のないピアとして機能する。このような構成は、マルチホップ・リンクを活用することによって、さらに高い範囲に到達すること、またはエネルギーを節約することというＵＡＮの用途において有効である可能性がある。
【００７１】
図２を再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、データ・リンク層２２０ａは、これらの個々の物理層の方式をリアルタイムに適合させる／変更する能力をネットワーク・ノードに提供する物理層適合メカニズムを組み込むことができる。例えば、物理層適合メカニズムは、これらの物理層の方式の変調、ＦＥＣ符号化速度、ガード・インターバル・サイズ、およびシンボル期間を、ネットワーク・ノードが変更することを可能にする。さらに、いくつかの実施形態によれば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、ネットワーク層２３０ならびにデータ・リンク層２２０ａおよび２２０ｂが、物理層２５０のパラメータを再構成できるようにする、層を横断する適合（ｃｒｏｓｓ−ｌａｙｅｒ  ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）を行うことができる。結果として、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、現在のチャネル要求、および様々な応用ニーズに基づいて、ソフトウェア・アーキテクチャ２００の挙動を適合させるための様々な判定方法を定義することができる。
【００７２】
いくつかの実施形態によれば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、ＩＰヘッダ圧縮、ＩＰパケット断片化を行うアダプテーション層を通じてＩＰｖ４およびＩＰｖ６プロトコルをサポートするネットワーク層２３０を含み、全体的なネットワーク遅延およびエネルギー消費を水中音響チャネルが最小化できるように、従来のＩＰｖ４ヘッダおよびＩＰｖ６ヘッダを最適化する。さらに、ソフトウェア・アーキテクチャ２００のネットワーク層２３０がＩＰｖ４およびＩＰｖ６プロトコルをサポートするので、ソフトウェア・アーキテクチャ２００を組み込むＵＡＮ内のネットワーク・ノードは、従来のＩＰネットワークと相互運用することができる。例えば、水中音響ネットワーク８１０と（従来のＩＰネットワークである可能性のある）陸上ネットワーク８２０との間のこのような相互運用が図８Ａに示される。
【００７３】
図２を再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、様々な動作ニーズをサポートするアプリケーション層２１０ａを含む。例えば、アプリケーション層２１０ａは、ネットワークからデータを集めるシンク・ノードとして、この検知されたデータを別のネットワーク・ノードに送るソース・ノードとして、または集められたデータを別のネットワーク・ノードに転送する中継ノードとして動作するようにネットワーク・ノードを構成することができる。いくつかの実施形態において、アプリケーション層２１０ａは、リアルタイム・ビデオ伝送をサポートするためのビデオ・エンコーダおよびデコーダを含む。さらに、アプリケーション層２１０ａは、オペレーティング・システムの環境において以前に開発された既存のアプリケーションとデータをやりとりするために実装されることがある。
【００７４】
いくつかの実施形態によれば、ソフトウェア・アーキテクチャ２００は、アナログ・ドメイン２４４におけるＡＤＣを通じた、または標準シリアル通信プロトコル（例えばＳＰＩ）によるデジタル・ドメイン２４３を通じた様々なセンサ・ユニット（２４１および２４２）とのインターフェースをサポートするアプリケーション層２１０ｂを含む。
【００７５】
上述のように、いくつかの実施形態によれば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、ソフトウェア・アーキテクチャ２００を利用することができる。図３Ａは、ゼロ・パデッド直交周波数分割多重（ＺＰ−ＯＦＤＭ）通信プロトコルを実行する、処理およびプログラマブル・ロジック・モジュール１１０の実施形態の例を示す。同様に、図３Ｂは、ＺＰ−ＯＦＤＭ通信プロトコルを実行する、処理およびプログラマブル・ロジック・モジュール１１０の物理層２５０のブロック図を示す。
【００７６】
いくつかの実施形態によれば、ＺＰ−ＯＦＤＭ通信プロトコルは、パケット検出および時刻の粗同期（ｃｏａｒｓｅ  ｔｉｍｅ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）のために使用されるプリアンブル・パケットの後ろにＮ個のＯＦＤＭシンボルがあるパケット・フォーマットを定義する。いくつかの実施形態において、ＺＰ−ＯＦＤＭ通信プロトコルは、疑似ノイズ（ＰＮ：ｐｓｅｕｄｏ−ｎｏｉｓｅ）シーケンス・ブロックおよびチャープ・ブロックという２つのタイプのプリアンブル・ブロックを含む。
【００７７】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、ＺＰ−ＯＦＤＭ送信器の論理ブロック３１０ａ〜３１０ｈ、ＺＰ−ＯＦＤＭ受信器の論理ブロック３２０ａ〜３２０ｍ、レジスタ３３０、ＡＸＩ４−Ｌｉｔｅインターフェース３０２、ならびにＡＸＩダイレクト・メモリ・アクセス（ＤＭＡ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｃｃｅｓｓ）インターフェース３０１および３０３を生成する。ＤＭＡは、プロセッサ処理ユニット１１２の関与なしにＤＡＣ１２３への連続的データ・フローを可能にする。いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、１つまたは複数の通信方式のための複数の論理ブロックを含み、複数の論理ブロックの中には、ＺＰ−ＯＦＤＭ送信器３１０の論理ブロック３１０ａ〜３１０ｈ、およびＺＰ−ＯＦＤＭ受信器３２０の論理ブロック３２０ａ〜３２０ｍがある。ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、ＺＰ−ＯＦＤＭ通信方式を実行するのに必要ではないが、通信方式が変更される場合には、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４に利用可能な他の論理ブロックを含むことができる。
【００７８】
いくつかの実施形態によれば、ＺＰ−ＯＦＤＭ送信器３１０に対応する論理ブロックのシーケンス３１０ａ〜３１０ｈが図３Ａおよび図３Ｂに描写される。いくつかの実施形態において、汎用処理ユニット１１２は、ＡＸＩ  ＤＭＡインターフェース３０１を通じて、ＺＰ−ＯＦＤＭ送信器シーケンス３１０の入力ファースト・イン・ファースト・アウト（ＦＩＦＯ：ｆｉｒｓｔ  ｉｎ，  ｆｉｒｓｔ  ｏｕｔ）論理ブロック３１０ａにデータユニット（すなわち、情報ビットまたは情報ビットのシーケンス）を送る。他の実施形態において、データユニットは、別のソースから、または別のタイプのインターフェースを介して、ＦＩＦＯ論理ブロック３１０ａによって受信されてよい。入力されたデータユニットは次に、前方誤り訂正（ＦＥＣ）エンコーダ（すなわち、畳み込みエンコーダ、ターボ・エンコーダ、等）論理ブロック３１０ｂに送られ、エンコードされてよい。次に、エンコードされたデータユニットは、シンボル・マッピング論理ブロック３１０ｃに渡され、エンコードされたデータユニットは、選択された変調方式に従ってシンボルにマッピングされる。
【００７９】
いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、他のＦＥＣエンコーダ論理ブロックまたはシンボル・マッピング論理ブロックをさらに含むことができる。他のＦＥＣエンコーダ論理ブロックまたはシンボル・マッピング論理ブロックは、いくつかの点で相違していてよく、例えば、他のＦＥＣエンコーダ論理ブロックは、異なるコード体系を使用することができ、また他のシンボル・マッピング・ブロックは、異なる変調方式を有することができる。同じ全体機能を行うが、この全体機能をそれぞれに行う複数の論理ブロックにアクセスできることにより、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、データユニットを代替論理ブロックにデータユニットごとに送ることによって、ＺＰ−ＯＦＤＭ送信器の属性を変更することができる。基本処理機能のいずれかのタイプを行う論理ブロックのいずれかのタイプに、この柔軟性および構成能力が利用されてよいことを当業者は認識するであろう。
【００８０】
図３Ａおよび図３Ｂを再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、エンコードされたデータユニットから生成されたシンボルは、ＯＦＤＭサブキャリア・アロケーション論理ブロック３１０ｄに送られ、ここで、エンコードされたデータユニットは、ＯＦＤＭシンボルを形成するための所定の方式に基づいて、パイロットおよびヌル・サブキャリアと共に様々なサブキャリアにアロケートされる。次に、形成されたＯＦＤＭシンボルは、その後、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）論理ブロック３１０ｅに送られ、時間ドメインに変換される。ＩＦＦＴ論理ブロック３１０ｅの出力は次に、ゼロ・パディング論理ブロック３１０ｆに送られ、ＺＰ−ＯＦＤＭシンボルを生成する。生成されたＺＰ−ＯＦＤＭシンボルは、疑似ノイズ（ＰＮ）シーケンス論理ブロック３１０ｇに送られ、ここで、これらのシンボルは、プリアンブル（ＰＮシーケンス）およびＮ個のＺＰ−ＯＦＤＭシンボルを含むパケット・フォーマットに変換される。次に、生成されたパケットは、アップ・ミキサ論理ブロック３１０ｈに送られ、ここで、これらのパケットは、通過帯域周波数にアップ・コンバートされ、ＤＡＣに送られてアナログ・ドメインにコンバートされ、伝送される。
【００８１】
いくつかの実施形態による、ＺＰ−ＯＦＤＭ受信器３２０に対応する論理ブロックのシーケンス３２０ａ〜３２０ｍが、図３Ａおよび図３Ｂに描写される。いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、ＡＤＣから信号を受信することができる。受信したシンボルは最初に、ハイ・パス・フィルタ（ＨＰＦ：ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）論理ブロック３２０ａに供給され、ＤＣオフセットおよび帯域外ノイズを取り除く。次に、フィルタリングされた信号は、パケット検出のためにエネルギー・レベル集積ベースの方法を行うパケット検出器論理ブロック３２０ｂに送られてよい。次に、検出されたパケットは、ダウン・ミキサ論理ブロック３２０ｃに送られ、ベースバンド信号にダウン・コンバートされてよい。次に、ベースバンド信号は、ロー・パス・フィルタ（ＬＰＦ：ｌｏｗ−ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）論理ブロック３２０ｄに送られ、さらに高い周波数の調波を取り除くことができる。次に、フィルタリングされたベースバンド信号は、同期論理ブロック３２０ｅに送られてよく、ここで、伝送されたパケット内のＰＮシーケンスの相関特性が、時間（パケット）の粗同期を得るために活用される。パケット同期に続いて、各ＺＰ−ＯＦＤＭパケットは、ブロック分割論理ブロック３２０ｆによって個別のＯＦＤＭシンボルに分けられてよい。
【００８２】
いくつかの実施形態によれば、データは、高速フーリエ変換論理ブロック３２０ｇに送られ、ＯＦＤＭシンボルを周波数ドメインに変換し、次に、各ＯＦＤＭシンボルは、ドップラー・スケール推定論理ブロック３２０ｈ、ならびにチャネル推定および均等化論理ブロック３２０ｉを通過し、パイロットおよびヌル・サブキャリアに基づく補償、パイロット・トーン・ベースのチャネル推定、ならびにゼロ・フォーシング（ＺＦ：ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ）チャネル均等化を行う。次に、データはシンボル検出ブロック３２０ｊに送られる。検出されたシンボルは、ＦＥＣデコーダ論理ブロック３２０ｌによってビットに変換され、デコードされてよい。最終的に、デコードされたビットは、ＦＩＦＯ論理ブロック３２０ｍに送られ、ＡＸＩ  ＤＭＡインターフェース３０３を通じて汎用処理ユニット１１２に送られてよい。
【００８３】
いくつかの実施形態によれば、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４のレジスタ３３０には、汎用処理ユニット１１２によって書かれ、ＡＸＩ４−Ｌｉｔｅインターフェース３０２を通じてレジスタ３３０に送られる物理層構成パラメータを格納し、再構成することを担うことができる。いくつかの実施形態において、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア構成要素１１４は、物理層構成パラメータをリアルタイムに制御し、再構成することができる。例えば、物理層構成パラメータは、変調、符号化速度、ガード・タイム、サブキャリア・マッピング、パケット内のＺＰ−ＯＦＤＭシンボルの数を含むことができる。
【００８４】
いくつかの実施形態は、レジスタに格納された更新済パラメータを、対応する論理ブロックに配信するレジスタ・コントローラをさらに含む。パラメータは、処理システムにおいて、またはゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて行われる再構成（適合）の意思決定の結果として更新されてよい。いくつかの実施形態において、処理システムまたはプログラマブル・ロジックが、レジスタのいずれかを更新するときはいつでも、レジスタの内容にアクセスし、この内容を対応する論理ブロックに配信するために、レジスタ・コントローラがトリガされる。
【００８５】
図４Ａは、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュール１１４がデザイン・ルータ・ブロック４６０を用いる、処理およびプログラマブル・モジュール１１０の実施形態の例のブロック図を示す。いくつかの実施形態において、デザイン・ルータ・ブロック４６０は、物理層論理（処理）ブロックのシーケンスのシームレスな配置をリアルタイムに可能にする。本実施形態によれば、各論理ブロックは、デザイン・ルータ４６０に接続され、一意のＩＤを割り当てられる。デザイン・ルータ４６０は、様々な論理ブロックのシーケンスで様々な物理層方式を定義するのに使用される処理マップに従って、論理ブロック間のデータを保持するＦＩＦＯとして機能する。処理マップは、レジスタ・コントローラ４３１によってデザイン・ルータ４６０に指示される。論理ブロックに加えて、デザイン・ルータ４６０は、上層との間で情報を送受信するためにＡＸＩバスを通じてブロックを処理するリンク層（デバイス・ドライバ２９０）に、また物質世界との間で情報を送受信するために通信モジュールに接続される。
【００８６】
例えば、図４Ａは、送信器シーケンス４１０ａの例、および受信器シーケンス４１０ｂの例を描写する。いくつかの実施形態において、送信器シーケンス（ブロック４１１、ブロック４１２、ブロック４１３）４１０ａは、特定の通信プロトコルを使用してデータユニット（または情報ビット）を伝送するのに必要な処理に対応することができる。処理およびプログラマブル・モジュール１１０は、異なる通信プロトコルに対応する異なる送信器シーケンスをデザイン・ルータに使用させることによって、通信プロトコルを切り替えることができる。論理ブロックは既存だが、シーケンスの順序は、上述のようなデザイン・ルータ４６０を使用して、異なる順序で論理ブロックを通じてデータユニットを送ることによって簡単に変更されるので、通信プロトコルのこの変更はデータユニットごとに行われてよい。このことは、受信器シーケンス４１０ｂにもあてはまる。
【００８７】
図４Ｂは、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュール１１４が、ソース４８１、シンク４８２、および相互接続された論理ブロック４１１〜４１７を用いる、処理およびプログラマブル・モジュール１１０の実施形態の別の例のブロック図を示す。図４Ｂの実施形態の例によれば、論理ブロック４１１〜４１７のそれぞれは、互いに論理ブロックに個別に相互接続され、各論理ブロックは、一意のＩＤを割り当てられる。さらに、論理ブロックのそれぞれは、ソース・ブロック４８１およびシンク・ブロック４８２と相互接続される。相互接続のこの編成は、物理層論理（処理）ブロックのシーケンスのシームレスな配置をリアルタイムに可能にする。
【００８８】
いくつかの実施形態において、各データユニットは、対応する通信プロトコルに従って処理するための、個々のデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含み、各論理ブロックは、データユニットのヘッダの中で指定された個々のシーケンスに従って、次の論理ブロックに、またはシンク・ブロックに、各データユニットを送るように構成される。各データユニット内のヘッダは、レジスタ・コントローラ４３１を通じてソース・ブロック４８１によって投入されてよい。ヘッダを各データユニットに投入するのに加えて、ソース・ブロックおよびシンク・ブロックは、上層との間で情報を送受信するためにＡＸＩバスを通じてデータ・リンク層に、また物質世界との間で情報を送受信するために通信モジュールに接続されてよい。
【００８９】
例えば、図４Ｂは、送信器シーケンス４１０ｃの例、および受信器シーケンス４１０ｄの例を描写する。いくつかの実施形態において、送信器シーケンス４１０ｃ（ブロック４１１、ブロック４１２、ブロック４１３）は、特定の通信プロトコルを使用してデータユニット（または情報ビット）を伝送するのに必要な処理に対応することができる。処理およびプログラマブル・モジュール１１０は、異なる通信方式に対応する異なる送信器シーケンスを指定するヘッダを生成することによって通信プロトコルを切り替えることができる。論理ブロックは既存だが、シーケンスの順序は、上述のようなヘッダを使用して、異なる順序で論理ブロックを通じてデータユニットを送ることによって簡単に変更されるので、通信プロトコルのこの変更はデータユニットごとに行われてよい。このことは、受信器シーケンスにもあてはまる。
【００９０】
図４Ｃは、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュール１１４が、多重化ソース４８３、４８５、および多重化シンク４８４、４８６を用いる、処理およびプログラマブル・モジュール１１０の実施形態の別の例のブロック図を示す。実施形態のこの例によれば、論理ブロック４１１〜４２５は、様々な通信プロトコルの送信器シーケンスおよび受信器シーケンス４１０ｅ〜４１０ｈを形成するように互いに接続されてよい。多重化ソース・ブロックの後ろに各送信器シーケンスまたは各受信器シーケンスがあり、この後ろに多重化シンク・ブロックがある。いくつかの実施形態において、多重化ソース・ブロック４８３、４８５は、選択された通信プロトコルに従って、送信器または受信器シーケンスに各データユニットを送るのに使用される。いくつかの実施形態において、選択された通信プロトコルは、レジスタ・コントローラ４３１を通じて多重化ソース・ブロックに指示されてよい。同様に、選択された通信プロトコルは、上層との間で情報を送受信するために、ＡＸＩバスを通じてリンク層に各データユニットを搬送することを可能にするレジスタ・コントローラ４３１を通じて多重化シンク・ブロックに、また物質世界との間で情報を送受信するために通信モジュールに指示されてよい。
【００９１】
例えば、図４Ｃは、送信器シーケンスの２つの例４１０ｅ、４１０ｆ、および受信器シーケンスの２つの例４１０ｇ、４１０ｈを描写する。いくつかの実施形態において、第１の送信器シーケンス（ブロック４１１、ブロック４１２、ブロック４１３）４１０ｅは、第１の通信プロトコルを使用してデータユニット（または情報ビット）を伝送するのに必要な処理に対応することができ、第２の送信器シーケンス（ブロック４１４、ブロック４１５、ブロック４１６、ブロック４１７）４１０ｆは、第２の通信プロトコルを使用してデータユニット（または情報ビット）を伝送するのに必要な処理に対応することができる。処理およびプログラマブル・モジュール１１０は、多重化装置ソース４８３に送信器シーケンスを切り替えさせることによって、通信プロトコルを切り替えることができる。論理ブロックは既存だが、シーケンスの順序は、上述のような異なる順序（シーケンス）で論理ブロックを通じてデータユニットを送ることによって簡単に変更されるので、通信プロトコルのこの変更はデータ−ユニットごとに行われてよい。このことは、受信器シーケンスにもあてはまる。
【００９２】
上記の実施形態は、様々な通信プロトコルを実行するものとして説明された。より具体的には、通信プロトコルは、ゼロ・パデッド直交周波数分割多重（ＺＰ−ＯＦＤＭ）プロトコル、およびバイナリ・チャープ・スペクトラム拡散（Ｂ−ＣＳＳ）プロトコルを含むことができ、誤り訂正技法は、リード・ソロモン（ＲＳ）コードおよび畳み込み符号を含むことができる。
【００９３】
任意の数の通信プロトコルを利用するように本開示の実施形態が構成されてよいということを当業者は認識するであろう。上記で述べられ、説明されたように、いくつかの実施形態は、ＺＰ−ＯＦＤＭプロトコルを利用することができる。ＯＦＤＭは、長時間の遅延拡散を伴う周波数選択性チャネルに対するＯＦＤＭの堅牢性により、水中音響（ＵＷ−Ａ：ｕｎｄｅｒ  ｗａｔｅｒ  ａｃｏｕｓｔｉｃ）システムに広く使われる通信プロトコルである。水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００のいくつかの実施形態は、ゼロ・パディングを伴うＯＦＤＭプロトコルを採用することができ、ここで、各ＯＦＤＭシンボルには、パディングされたゼロが続く。ＺＰ−ＯＦＤＭは、これと同等のもの（例えば、巡回プレフィックス（ＣＰ：ｃｙｃｌｉｃ−ｐｒｅｆｉｘｉｎｇ））と比べて、さらにエネルギー効率がよい。いくつかの実施形態によれば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、各ＯＦＤＭシンボルの中に、チャネル推定およびシンボルの完全な同期において使用されることになるＫＰパイロット・サブキャリアを入れる。実施形態は、データ伝送のために、従来、Ｍ位相シフト・キーイング（ＰＳＫ：Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ−Ｋｅｙｉｎｇ）またはＭ直角位相振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ−Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で変調される、ドップラー推定およびＫＤデータ・サブキャリアのためのＫＮヌル・サブキャリアを含むこともできる。
【００９４】
いくつかの実施形態によれば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、図５に示すような、データユニット（例えばパケット）フォーマット５００を利用することができる。図５に描写されたデータユニット・フォーマットは、パケット検出およびシンボルの粗同期を行うプリアンブル・ブロック５０４が前にあるＮ個のＯＦＤＭシンボル５０２を含む。いくつかの実施形態において、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、ネットワークおよびアプリケーション要件に基づいて、疑似ノイズ（ＰＮ）シーケンスまたはチャープ信号としてプリアンブル・ブロックを選択するオプションを提供することができる。
【００９５】
バイナリ・チャープ・スペクトラム拡散（Ｂ−ＣＳＳ）は、本開示の実施形態が利用できる別の通信プロトコルである。Ｂ−ＣＳＳは、ＵＷ−Ａチャネルの主な特性である深刻なマルチパスおよびドップラー効果に対して順応性があることがよく知られているチャープ信号に基づく。Ｂ−ＣＳＳは、ＵＷ−Ａ通信において、また特に、フィードバック・リンクなどの、比較的低いデータレートだが高い信頼性を必要とするリンクにおいて使用されてきた。さらに、Ｂ−ＣＳＳは、計算の複雑性を劇的に減少させる、非常に小さい複雑性の相関性ベースの受信器アーキテクチャによって特徴づけられる。
【００９６】
いくつかの実施形態によれば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、コード−時間−周波数多次元拡散を伴う斬新なチャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩ（低検出確率／低傍受確率）水中音響通信プロトコルを利用することができる。通信プロトコル・スタックの物理層における効率的な水中通信を実現するようにデザインされたアプローチの多くは、水中音響チャネルにおいて利用可能な制限された帯域幅で動作するように、スペクトル的に効率的で、さらに堅牢な変調方式および受信器をデザインすることに主としてフォーカスされてきた。さらに、このドメインにおける既存技術はほとんど、大きな送信電力で低周波キャリアに対して変調される、よく認識され、簡単に検出可能な狭帯域信号を伝送することに基づいており、このことは、結局は、通信方式の秘匿性、およびＬＰＤ／ＬＰＩ性能を制限する。
【００９７】
典型的には、秘匿性のある通信プロトコルは、コヒーレント変調または非コヒーレント変調を伴う、直接シーケンス・スペクトラム拡散（ＤＳＳＳ：ｄｉｒｅｃｔ−ｓｅｑｕｅｎｃｅ  ｓｐｒｅａｄ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）技法のアプローチを採用する。このアプローチの背後にある主な理由は、比較的低い信号レベルで通信を行うこと、および高いＬＰＤ／ＬＰＩ性能を実現することを可能にする、スペクトラム拡散エンコーディングに由来する処理利得を利用することである。代替アプローチは、処理利得を実現するコーディングの代わりに周波数ダイバーシティを活用することである。これらのプロトコルおよび技法は、いくつかの用途に有効な場合があるが、水中通信プロトコルのＬＰＤ／ＬＰＩ性能を改善する明らかに大きな余地がある。
【００９８】
さらに、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散される、チャープ信号を伝送することに基づく斬新な通信プロトコルが下記に説明される。以下のチャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルは、スーパーインボーズされた拡散コードと一緒に、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターンに続く超音波スペクトル成分を含むチャープ・ベースの音響パルスを使用する堅牢なＬＰＤ／ＬＰＩ伝送方式である。チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルは、ただ１つの次元だけ（すなわち、コード、時間、または周波数）を考慮する最先端の方式と比べて、さらに高いＬＰＤ／ＬＰＩ性能を可能にするようにデザインされ、（ｉ）敵によって簡単には認識も検出もできず、（ｉｉ）周波数時間ホッピング・パターン、および拡散コードが使用されていることを認識している友好的な受信器によって、逆チャネルにおいて、しっかりと検出されることが可能な、ホッピング・コーディング・パターンをもたらす。
【００９９】
チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルのいくつかの実施形態は、疑似ランダム・シーケンスに続く周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターン、ならびにスーパーインボーズされた拡散コードを伴うチャープ信号を伝送するという原則に基づく。チャープ・ベースの伝送、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターン、ならびにスペクトラム拡散エンコーディングは、高いＬＰＩ／ＬＰＤ性能、深刻なチャネル効果（すなわち、マルチパス、散乱、およびドップラー）に対して堅牢で順応性がある受信器性能、ならびにこれらを用いる特定のシステムと簡単に関連付けられない識別しにくい特性を有する通信プロトコルを可能にする。
【０１００】
一般に、チャープ変調または線形周波数変調（ＬＦＭ：ｌｉｎｅａｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）は、１９６０年代に最初に使用された。それ以来、チャープ信号は、屋内ワイヤレス通信、マルチユーザ・アプリケーション、およびＷＬＡＮ／ＷＰＡＮアプリケーションを含む様々な用途において、単純なデザインの低コストの送受信器で、低データレート、堅牢、低電力（ＬＰＤ／ＬＰＩ）ワイヤレス通信を可能にし得る通信技術として使用されてきた。
【０１０１】
チャープ伝送の特性は、ＬＰＩ／ＬＰＤ方式の要件に理想的に対処するように思える。第１に、これらの高い処理利得（時間帯域幅積）、および深刻なチャネル効果（例えば、マルチパス、散乱、ドップラー効果、等）に対する順応性は、低い信号対ノイズ（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ）条件の下での力強い受信性能が、高い送信電力の必要性を減少させるので、高いＬＰＤ／ＬＰＩ性能を可能にする。第２に、チャープ信号の広帯域性は、低パワー・スペクトル密度が、検出および傍受の確率を減少させるので、高いＬＰＤ／ＬＰＩ性能をもたらす。第３に、チャープ信号は、水中環境の至るところにある（例えばイルカのクリック音）。したがってこれらは、特定の通信システムと簡単に関連付けられるはずがない。第４に、チャープは、主としてデジタル処理で簡単に生成されることが可能であり、データレートは、パワー・スペクトル密度および範囲と柔軟に交換されることが可能である。
【０１０２】
図６Ａは、帯域幅ＢｓのＮｆ個のサブ帯域に分割された周波数スペクトルＢｔ、および期間Ｔｃのチップに分割されたスロット時間を定義する、組み合わされた周波数ホッピングと時間ホッピングの方策を有するチャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルの例を描写し、チップは、期間Ｔｆ＝Ｎｈ・Ｔｃのフレームに編成され、ここで、Ｎｈは、フレームあたりのチップ数である。具体的には、図６Ａのチャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルの例は、周波数ホッピング・シーケンスＦＨ＝｛２，０，３｝、時間ホッピング・シーケンスＴＨ＝｛２，３，３｝、およびＢＯＫ拡散コードＳＣ＝｛１，−１，−１｝を使用する進行中の伝送である。
【０１０３】
いくつかの実施形態によれば、ネットワーク・ノードは、１つのサブ帯域上でフレームあたり１つのチップの中で１つのチャープ信号を伝送すること、および時間ホッピング・シーケンス（ＴＨＳ：ｔｉｍｅ  ｈｏｐｐｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）および周波数ホッピング・シーケンス（ＦＨＳ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｈｏｐｐｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）それぞれに基づいて、どのチップおよびサブ帯域の中で伝送すべきかを判断することによって、チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルを実行することができる。時間ホッピング・シーケンスと周波数ホッピング・シーケンスの両方は、乱数発生器にシード値を与えることによって生成された疑似ランダム・シーケンスに基づく。いくつかの実施形態において、チャネル非理想性に対する受信器性能を改善するために、チャネル・コード体系が導入されてよい。いくつかの実施形態によれば、各情報ビットは、（ｉ）制限された計算の複雑性、および（ｉｉ）マルチパス・チャネル効果に対する本来の順応性、により、疑似直交拡散コードで表されることが可能である。
【０１０４】
チャープ信号は、初期値ｆ０から最終値ｆ１に時間内に変化する時変瞬時周波数（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ  ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）によって特徴づけられる。時間ドメインにおいて、信号は以下のように表現されることが可能である。
【数１】
2019537872.tif 000003
ここで、Ａはチャープの振幅であり、ｆ０は初期チャープ周波数であり、
【数２】
2019537872.tif 000004
はチャープ周波数変化率であり、一方、Ｔは、チャープ期間を表す。本開示の目的上、パラメータμ＞０のチャープはアップ・チャープであり、そうでなければ、チャープはダウン・チャープである。アップおよびダウン・チャープ信号は、互いにほぼ直交している。チャープ信号の全帯域幅は、Ｂ＝ｆ１−ｆ０として得られることが可能である。
【０１０５】
チャープの連続は、アップ・チャープを伴う「１」情報シンボル、およびダウン・チャープを伴う「−１」情報シンボルをエンコードすることによるアップおよびダウン・チャープの準直交性を活用することによって、バイナリ直交キーイング（ＢＯＫ：ｂｉｎａｒｙ  ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  ｋｅｙｉｎｇ）に基づいて変調されてよい。ｉ番目のシンボルを伝えるためにシステムによって生成された信号ｓ（ｔ，ｉ）は、以下のように（１）に基づいて表現されることが可能である。
【数３】
2019537872.tif 000005
【数４】
2019537872.tif 000006
ここで、
【数５】
2019537872.tif 000007
であり、｛ｃｉ｝は、は０≦ｃｉ≦Ｎｈ−１の時間ホッピング・シーケンスであり、｛ｋｉ｝は、０≦ｋｉ≦Ｎｆ−１の周波数ホッピング・シーケンスであり、｛ｄｉ｝は情報を有するシーケンスｄｉ∈｛−１，１｝であり、チャープの振幅は、一般性を損なうことなく「１」であると仮定される。１秒あたりのチャープにおける結果のデータレートは、以下のように表現される。
【数６】
2019537872.tif 000008
【０１０６】
ＦＨフレーム長Ｎｆ、およびＴＨフレーム長Ｎｈ（すなわち平均チャープ間時間）を調節することによって、ネットワーク・ノードは、この伝送速度、処理利得を適応させ、結果として平均放射電力を変更し、したがってシステムの通信範囲を変更することができる。
【０１０７】
いくつかの実施形態において、受信器において、受信信号を正しくデコードするために、フレーム同期および「時間ホッピング」同期が行われてよい。フレーム同期は、送信器フレームと受信器フレームの間の正確な時間的整合を見つけることから成り立ってよい。いくつかの実施形態において、このことは、エネルギー集積アプローチを通じて実現される。フレーム同期中、送信器は、事前に知られているシーケンス（すなわちプリアンブル）を送る。具体的には、ドップラー・スケール推定を活用するために、ドップラーの影響を受けるシーケンス（すなわち、ｍ系列）を使用する。いくつかの実施形態において、様々なドップラー・スケーリング・ファクタによって事前にスケーリングされた受信信号とプリアンブルを相関させた後、受信器は、瞬間としてのフレームの出発点と、最大相関ピークに基づいて推定されたドップラー・スケールの両方を識別することができる。
【０１０８】
いくつかの実施形態によれば、次のステップは、チップごとにホップさせ、受信したチャープを相関させるために、周波数ホッピング・シーケンスおよび時間ホッピング・シーケンスを見つけることから成り立ってよい。このことは、送信器によって使用される同じシード値をランダム生成器に与えること、したがって同じ疑似ランダム周波数ホッピング・シーケンスおよび時間ホッピング・シーケンスを生成することによって実現される。両方の同期処理が行われると、受信器は使用中の変調方式に従って、関心のある時間チップの中で「聴取すること」、および受信したチャープを相関させることによって受信信号をデコードする。
【０１０９】
チャネル・コードは、チャネル非理想性の影響を減少させ、したがって受信器性能を増大させることができる。様々な性能レベルおよび計算の複雑性を伴う様々なチャネル・コーディング・ソリューションが提案されてきた。チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルのいくつかの実施形態は、これらの制限された計算の複雑性、およびマルチパスに対する本来の順応性により、疑似直交拡散コードに依存する。各シンボル（すなわちビット）は、伝送前にシンボルにバイナリ・コードを掛けることによって拡散される。受信器側では、送信器で使用されるコードの予備知識によって、信号が拡散されることはなく、元の情報が回復される。
【０１１０】
チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルのいくつかの実施形態は、ＢＯＫ拡散変調方式を利用する。ＢＯＫ拡散において、情報ビットは、ＢＯＫ変調チップを使用して拡散され、必然的に疑似直交拡散コードは、ａｊ∈｛−，１｝の、Ｎｓ個のチップの疑似乱数コードとして定義されてよい。周波数ホッピングおよび時間ホッピングによって、（２）および（３）は以下のように書き直されることが可能である。
【数７】
2019537872.tif 000009
【数８】
2019537872.tif 000010
ここで、チップ情報は、準直交性のアップ・チャープおよびダウン・チャープの中で搬送される。図１８において、組み合わされた周波数ホッピングと時間ホッピング、およびＢＯＫ拡散方策の例を示す。拡散操作は、Ｎｓ個のチップを１つの情報ビットに関連付けるので、情報レートはここで、
【数９】
2019537872.tif 000011
になるが、ビットあたりのエネルギーは、ファクタＮｓだけ増加する。（さらに長い拡散コードで増加する）ノイズおよびマルチパスに対する堅牢性と、エネルギー消費量および情報レートとの間にトレードオフがあるということに留意されたい。
【０１１１】
ＢＯＫ拡散において、受信器は、送信器で用いられる拡散コードを使用して、相関テンプレートを得ることができる。結果として、デコードするために正確なチャネル知識を有するコヒーレント受信器を必要とするＢＰＳＫ変調されたチャープ信号とは異なり、単純な非コヒーレント・エネルギー検出受信器で十分であるということに気づくことが重要である。後者はフレーム同期のみを必要とし、この実装形態の複雑性は著しく小さくなる。
【０１１２】
いくつかの実施形態によれば、処理する前に、受信器における信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、以下のように表現されることが可能である。
【数１０】
2019537872.tif 000012
ここで、Ｐは、送信器によって発せられたチャープ信号あたりの平均電力であり、ｇは送信器と受信器の間の経路利得であり、ηはノイズ・エネルギーである。チャープ信号は、処理後に受信器における信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を高めることを可能にする、時間帯域幅積（ＴＢ）に比例する処理利得をもたらす。狭帯域パルスと異なり、チャープ信号のＴおよびＢは処理利得が高くなるように、したがって受信器のＳＮＲが高くなるように独立して増加されることが可能である。処理利得は、以下のように表現されることが可能である。
【数１１】
2019537872.tif 000013
【０１１３】
処理利得に加えて、受信器には、拡散コードによって加えられるＳＮＲ利得がある。結果として、処理後の受信器におけるチャープ伝送に対するＳＮＲは、以下のように表現されることが可能である。
【数１２】
2019537872.tif 000014
【０１１４】
１人のユーザのシナリオを考えるとき、干渉は無視することができる。（９）から、拡散コードＮｓを増加させると（または減少させると）、受信器のＳＮＲの増加（減少）をもたらすということが認められることがある。
【０１１５】
チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルの実施形態の例は、期間Ｔｃ＝１ｍｓ、かつ帯域幅Ｂｓ＝５ｋＨｚのチャープ信号を定義することができ、ここで、最小周波数成分ｆ０は１００ｋＨｚとして選択される。実施形態のこの例を示すため、図６Ｂに描写されたチャネル機能が使用される。認められるように、チャネルは深刻なマルチパスを示し、これは、最も興味深い条件下での実施形態の例を示すことができる。
【０１１６】
ＳＮＲ値を変化させるための、実施形態の例のビット誤り率（ＢＥＲ：ｂｉｔ−ｅｒｒｏｒ−ｒａｔｅ）性能が判断されてよい。図６Ｃは、周波数ホッピング・フレーム長、時間ホッピング・フレーム長、および拡散コード長（Ｎｆ、Ｎｈ、Ｎｓ）の様々なセット、具体的には（３、３、３）および（５、５、５）に関するＳＮＲ値に対するＢＥＲを提示する。ＢＥＲはＳＮＲに応じて減少し、しかも、さらに大きい周波数ホッピング・フレームおよび時間ホッピング・フレーム、ならびに拡散コード長を使用することによって、ＢＥＲはさらに減少する。さらに、非常に小さいＳＮＲ値においてでさえ、実施形態の例は依然として堅牢なＢＥＲ性能をもたらすことができるということがわかる。したがって、ＬＰＤ／ＬＰＩ性能を著しく改善するために、非常に小さい送信電力が使用されても、チャープ・ベースのＬＰＤ／ＬＰＩプロトコルを利用するネットワーク・ノードは依然として、堅牢な通信リンクを得ることができる。
【０１１７】
図６Ｄは、Ｎｆ＝３０の周波数ホッピング・シーケンスＦＨ＝｛１１，１３，１８｝、Ｎｈ＝３の時間ホッピング・シーケンスＴＨ＝｛２，０，２｝、およびＮｓ＝３のＢＯＫ拡散コードＳＣ＝｛−１，１，−１｝を使用するｄｉ＝１の実際のＬＰＩ／ＬＰＤ波形出力のスペクトログラムの例である。この波形は、最初の時間ホッピング・スロットにおける第１の２つの最低周波数ビンの中の２つの同時のアップ・チャープ、および最後の時間ホッピング・スロットにおける第１の２つの最低周波数ビンの中の２つの同時のダウン・チャープとして組み立てられるプリアンブルの後ろにある。プリアンブルの第１の部分は、具体的にはパケット検出のために使用されるが、第２の部分は、単にフレーム同期のために使用される。さらに、これらの２つの部品の組合せは、ドップラー・スケール推定のために活用される。実験では、平均ＳＮＲ１９ｄＢで何のエラーもなく、１０００００ビット以上を成功裏に伝送した。
【０１１８】
本開示の実施形態は、様々なタイプの前方誤り訂正（ＦＥＣ）コードを利用するように構成されてよいということを当業者は認識するであろう。例えば、水中音響ワイヤレス通信プラットフォーム１００は、リード・ソロモン（ＲＳ）コード、または畳み込み符号を利用することができる。
【０１１９】
ＲＳコードは、チャネル変動およびシンボル間干渉によって引き起こされる可能性のあるエラーを訂正するようにデザインされた線形ブロック・タイプのエラー訂正コードである。ＲＳエンコーダは、ｔ個の冗長性シンボルを加えることによって、ｋ個の情報シンボルをｎの大きさのシンボル・ブロックにコンバートする。これに対応して、ＲＳデコーダは、情報シンボルのｔ／２までを訂正できる間に、ｎの大きさのシンボル・ブロックからｋ個の情報シンボルを得る。
【０１２０】
畳み込み符号は、任意の大きさのシンボル・ストリームで動くエラー訂正コードである。これらは、スライディング・ブール多項式関数（ｓｌｉｄｉｎｇ  ｂｏｏｌｅａｎ  ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をデータ・ストリームに適用することによってパリティ・シンボルを生成する。畳み込み符号は、コーディング・オーバヘッドを減少させ、これに対応して、データレートが高くなるように、様々なパンクチャリング方式でパンクチャリングされてよい。
【０１２１】
図７は、いくつかの実施形態による、ワイヤレス・エネルギー移送ユニット１３７の例の概略図である。ワイヤレス移送ユニット１３７は、音響波を使用して、環境発電を行い、バッテリ・ユニット（例えば、中央バッテリ・ユニット１３２）を再充電することを可能にする。ワイヤレス・エネルギー移送ユニット１３７は、非接触エネルギー移送（ＣＥＴ：ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ  ｅｎｅｒｇｙ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）、またはワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を利用して、エネルギーまたは電力をワイヤレスで伝送することができ、したがって、直接的に有線接続を行わないようにする。アプローチの例は、電磁気フィールド（ＥＭＦ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）、および光結合に基づく、誘導性および容量性ＷＰＴを含む。
【０１２２】
音響エネルギー移送（ＡＥＴ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）は、音響波を使用して電力をリモートに伝送するための革新的な方法である。電磁波とは対照的に、音響波は、エネルギーを伝搬させ、必然的に移送するための媒体を必要とする。伝搬媒質の物理的な特性は主に、進行波の速さに影響を及ぼし、回折、減衰、および反射という３つの損失効果をもたらす。それでも、エネルギーの担体として超音波を活用するというアイデアは、水に沈められたＣＥＴシステムをデザインすることにねらいを定める水中シナリオに拡張されることが可能である。音響波による水中ＷＰＴのためのシステムは、送信器、伝搬媒質、および受信器という３つの主要なマクロ構成要素からなる。（圧電素子、回路機器の詳細、動作可能周波数の選択肢を中でも含む）これらの構成要素の実装における様々な選択肢は、これらの３つのタイプの損失を最小化することによって、水によって移送されるエネルギーの量を最大化することに向けられるべきである。
【０１２３】
図７に示されるようなワイヤレス・エネルギー移送ユニット１３７の例によれば、環境発電トランスデューサ１３５は、環境発電トランスデューサ１３５からのＡＣ電圧を、バッテリ１３２または超コンデンサを再充電するのに使用されるＤＣ信号に変換するダイオード整流器回路２０１とインターフェースされる。
【０１２４】
図８Ａは、集中型制御と非集中型制御の両方が考えられる複合ネットワーク８００のトポロジの例を示す。ネットワークのこの例によれば、複合ネットワーク８００は、ネットワーク・ノード８０２ａ〜８０２ｄと協調する集中型ノード８０１を含む。いくつかの実施形態において、集中型ノード８０１は、ＲＦ通信８０５ａおよび音響通信８０５ｂをサポートし、水中音響ネットワーク８１０と陸上ネットワーク８２０との間のゲートウェイとして機能することができる。さらに、水中音響ネットワーク８１０のいくつかの実施形態は、２つのノード間でデータを通信するための、別のネットワーク・ノード８０２ｄへのピアとして機能する１つまたは複数のネットワーク・ノード４０３ａを含むことができる。
【０１２５】
図８Ｂは、水中Ｗｉ−Ｆｉネットワーク８５０を可能にする複合ネットワークの応用例を示す。水中Ｗｉ−Ｆｉネットワーク８５０は、無人車両８５２ａ〜８５２ｆ、スキューバ・ダイバー、ならびに水中インフラストラクチャ（例えば石油掘削装置）、および／またはＲＦドメイン８５５ａと音響ドメイン８５５ｂとの間のゲートウェイとして機能する基地局８５１ａ〜８５１ｂがあるエリア内の他の機器に、短距離（例えば５００メートルまで）高速ワイヤレス接続を提供することができる。水中Ｗｉ−Ｆｉネットワーク８５０は、複数ユーザ／複数デバイスをサポートする自己設定技術としてデザインされる。上述の水中音響ワイヤレス通信プラットフォームの実施形態を利用すると、水中Ｗｉ−Ｆｉネットワーク８５０は、ＲＦドメイン８５５ａとの間でデータをストリーミングするために必要とされる高データレートをサポートすることができる。水中Ｗｉ−Ｆｉネットワーク８５０は、基地局（セル）８５５ｂおよび／または他のネットワーク・ノードを切り替えながら、ハンドオフ・サポートのある水中のユーザ／デバイス８５２ａ〜８５２ｆに対してシームレスな移動を可能にする。
【０１２６】
水中Ｗｉ−Ｆｉネットワークは、水中音響ワイヤレス通信ネットワーク・ノードの実施形態を利用して実装されてよい。このような水中音響ワイヤレス通信ネットワーク・ノードはＯＦＤＭ方式で動作し、データ・リンク層における最適化されたリソース割り当て方式アルゴリズムを実行して、距離、チャネル、およびトラフィック・データに基づいて、時間周波数ブロックをユーザ／デバイスに動的に割り当てる。
【０１２７】
図９は、本開示の様々な実施形態が実行されることが可能なコンピュータ９５０の内部構造のブロック図である。例えば、総合処理ユニット１１２は、コンピュータ９５０の構造に類似のアーキテクチャを有することができる。コンピュータ９５０はシステム・バス９７９を収め、ここで、バスは、コンピュータまたは処理システムの構成要素間のデータ転送のために使用されるハードウェア線のセットである。システム・バス９７９は本質的に、要素間の情報の移送を可能にする、コンピュータ・システムの様々な要素（例えば、プロセッサ、ディスク・ストレージ、メモリ、入出力ポート、ネットワーク・ポート、等）を接続する共有されたコンジットである。様々な入出力デバイス（例えば、キーボード、マウス、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ、等）をコンピュータ９５０に接続するためのＩ／Ｏデバイス・インターフェース９８２が、システム・バス９７９に取り付けられる。ネットワーク・インターフェース９８６は、ネットワークに取り付けられた様々な他のデバイスに、コンピュータ９５０が接続できるようにする。メモリ９９０は、本開示の実施形態を実行するのに使用されるコンピュータ・ソフトウェア命令９９２およびデータ９９４の揮発性保存を行う。ディスク・ストレージ９９５は、本開示の実施形態を実行するのに使用されるコンピュータ・ソフトウェア命令９９２およびデータ９９４の不揮発性保存を行う。中央処理装置ユニット９８４もシステム・バス９７９に取り付けられ、コンピュータ命令の実行を行う。
【０１２８】
１つの実施形態において、プロセッサ・ルーチン９９２およびデータ９９４は、ソフトウェア命令の少なくとも一部を本発明のシステムに提供する、コンピュータ可読媒体（例えば、１つまたは複数のＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ディスケット、テープ、等などの取外し可能ストレージ媒体）を含む、（全体的に９９２で参照される）コンピュータ・プログラム製品である。コンピュータ・プログラム製品９９２は、当技術分野でよく知られるように、任意の適切なソフトウェア・インストール手順によってインストールされることが可能である。
【０１２９】
別の実施形態において、ソフトウェア命令の少なくとも一部は、ケーブル、通信、および／またはワイヤレス接続でダウンロードされてもよい。
【０１３０】
さらに、本発明の実施形態は、様々なコンピュータ・アーキテクチャの中で実行されてよい。図９のコンピュータは例証目的のものであり、本発明の実施形態を限定するものではない。
【０１３１】
実施形態の例が具体的に示され、説明されたが、添付の特許請求の範囲によって包含される範囲から逸脱することなく、形式および詳細の様々な変更が実施形態の例の中で行われてよいということが、当業者によって理解されよう。
【０１３２】
上述の実施形態の例は多くの様々な方式で実行されてよいということを理解されたい。いくつかの事例において、本明細書で説明される様々な方法および機械は、中央処理装置、メモリ、ディスクまたは他のマス・ストレージ、通信インターフェース、入出力（Ｉ／Ｏ：ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）デバイス、および他の周辺機器を有する、物理、仮想、または複合汎用コンピュータによってそれぞれ実行されてよい。汎用コンピュータは、例えば、ソフトウェア命令をデータ・プロセッサにロードし、次に本明細書で説明された機能を行うために命令を実行させることによって、上述の方法を実行する機械に変換される。
【０１３３】
当技術分野で周知のように、このようなコンピュータはシステム・バスを収めることができ、ここで、バスは、コンピュータまたは処理システムの構成要素間のデータ転送のために使用されるハードウェア線のセットである。１つまたは複数のバスは本質的に、要素間の情報の移送を可能にする、例えば、プロセッサ、ディスク・ストレージ、メモリ、入出力ポート、ネットワーク・ポート、等といった、コンピュータ・システムの様々な要素を接続する共有されたコンジットである。１つまたは複数の中央処理装置ユニットはシステム・バスに取り付けられ、コンピュータ命令の実行を行う。典型的には、例えば、キーボード、マウス、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ、等といった様々な入出力デバイスをコンピュータに接続するためのＩ／Ｏデバイス・インターフェースもシステム・バスに取り付けられる。ネットワーク・インターフェースは、ネットワークに取り付けられた様々な他のデバイスに、コンピュータが接続できるようにする。メモリは、実施形態を実行するのに使用されるコンピュータ・ソフトウェア命令およびデータの揮発性保存を行う。ディスクまたは他のマス・ストレージは、例えば、本明細書で説明される様々な手順を実行するのに使用されるコンピュータ・ソフトウェア命令およびデータの不揮発性保存を行う。
【０１３４】
したがって実施形態は典型的には、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの任意の組合せにおいて実行される。
【０１３５】
一定の実施形態において、本明細書で説明される手順、デバイス、および処理は、ソフトウェア命令の少なくとも一部をシステムに提供する、例えば、１つまたは複数のＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ディスケット、テープ、等などの取外し可能ストレージ媒体といった、非一時的コンピュータ可読媒体を含むコンピュータ・プログラム製品とみなされる。このようなコンピュータ・プログラム製品は、当技術分野でよく知られるように、任意の適切なソフトウェア・インストール手順によってインストールされてよい。別の実施形態において、ソフトウェア命令の少なくとも一部は、ケーブル、通信、および／またはワイヤレス接続でダウンロードされてもよい。
【０１３６】
さらに、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、または命令が、データ・プロセッサの一定のアクションおよび／または機能を行うものとして本明細書で説明されることがある。しかし、本明細書に収められたこのような説明は単に便宜上のものであるということ、またこのようなアクションは実際には、コンピューティング・デバイス、プロセッサ、コントローラ、またはファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、命令、等を実行する他のデバイスから生じるということを理解されたい。
【０１３７】
流れ図、ブロック図、およびネットワーク図は、様々に配置されるか、様々に表される、さらに多くの要素またはさらに少ない要素を含むことができるということも理解されたい。しかし、一定の実装形態は、特定の方式で実行される実施形態の実行を示すブロック図およびネットワーク図、ならびにブロック図およびネットワーク図の数を定めることができるということをさらに理解されたい。
【０１３８】
したがって、さらなる実施形態または実施形態の態様は、様々なコンピュータ・アーキテクチャ、物理、仮想、クラウドのコンピュータ、および／またはこれらのいくつかの組合せにおいて実行されることも可能であり、したがって、本明細書で説明されるデータ・プロセッサは例証のためだけのものであり、実施形態を限定することを意図するものではない。
【０１３９】
全ての特許、公開出願、および本明細書における前述の参照の教示は、全体として参照により組み込まれる。
【０１４０】
実施形態の例が具体的に示され、説明されたが、添付の特許請求の範囲によって包含される実施形態の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の様々な変更が実施形態の例において行われてよいということが当業者によって理解されよう。
【図１】
2019537872.tif 000015
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2019537872.tif 000023
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年6月18日(2019.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するように構成された通信モジュールであって、前記ネットワーク通信のそれぞれが、複数の通信プロトコルのうちの１つの通信プロトコルで定義される、通信モジュールと、
該通信モジュールに通信連結され、個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを定義するゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールであって、前記論理ブロックのシーケンスが、再構成することなくデータユニットごとに前記複数の通信プロトコルのいずれかに従ってデータユニットを処理することができ、
論理ブロックの第１のシーケンスを通じてデータユニットを送ることによって第１の通信プロトコルに従って前記データユニットを処理すること、および
論理ブロックの第２のシーケンスを通じてその後のデータユニットを送ることによって第２の通信プロトコルに従って前記その後のデータユニットを処理すること
を行うように構成される、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールと
を備える、音響ネットワーク内のノード。
【請求項２】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように定義されたルータを利用する、請求項１に記載のノード。
【請求項３】
各データユニットが、対応する通信プロトコルに従って処理するための、前記個々のデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含み、各論理ブロックが、前記データユニットの前記ヘッダの中で指定された前記個々のシーケンスに従って、次の論理ブロックに、または出力ポートに、各データユニットを送るように構成される、請求項１に記載のノード。
【請求項４】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信連結され、前記複数の通信プロトコルの中から１つの通信プロトコルを選択することによってアプリケーション・データを前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信すること、および前記選択された通信プロトコルに従って処理するための、データユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含む前記データユニットに、前記アプリケーション・データをコンバートすることを行うように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項３に記載のノード。
【請求項５】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、送信デバイスからデータユニットを受信すること、通信プロトコルに従って処理するための、前記受信したデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを、前記受信したデータユニットに割り当てることを行うようにさらに構成される、請求項３に記載のノード。
【請求項６】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように定義された多重化ソースおよび多重化シンクを利用する、請求項１に記載のノード。
【請求項７】
論理ブロックの各シーケンスが、通信プロトコルに対応し、論理ブロックの異なるシーケンスが、異なる通信プロトコルに対応する、請求項１から６のいずれかに記載のノード。
【請求項８】
前記複数の通信プロトコルが、
直交周波数分割多重、
符号分割多重接続、
時分割多重接続、
周波数ホッピング・スペクトラム拡散、
時間ホッピング・スペクトラム拡散、
直接シーケンス・スペクトラム拡散、
バイナリ・チャープ・スペクトラム拡散、および
チャープ・ベースの通信方式
のうちのいずれか２つを含む、請求項６に記載のノード。
【請求項９】
前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールが、前記論理ブロックの構成パラメータを格納するように構成されたレジスタを含み、前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュール内のレジスタ・コントローラが、前記個々の構成パラメータに基づいて前記論理ブロックを再構成するように構成された、請求項１に記載のノード。
【請求項１０】
ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信連結され、前記構成パラメータを生成すること、および該構成パラメータを前記レジスタに通信することを行うように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項９に記載のノード。
【請求項１１】
前記プロセッサが、前記ネットワーク通信の所与の通信プロトコルを指定する制御信号を受信するようにさらに構成され、前記プロセッサが、前記所与の通信プロトコルに従って、前記論理ブロックがデータユニットを処理できるようにする前記構成パラメータを応答可能なように生成する、請求項１０に記載のノード。
【請求項１２】
前記音響媒体を検知するように構成されたセンサをさらに備え、前記プロセッサが、前記センサに連結され、前記音響媒体の検知した変化にさらに適した次の通信プロトコルに、前記通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するように構成され、前記プロセッサが、前記次の通信プロトコルのデータユニットを前記論理ブロックが処理できるようにするために、前記音響媒体の検知した変化に応じて前記構成パラメータを変更するようにさらに構成された、請求項１０に記載のノード。
【請求項１３】
前記センサが、温度センサ、深度センサ、塩分濃度センサ、運動センサ、および姿勢センサといったセンサのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のノード。
【請求項１４】
前記プロセッサが、継続性チェック信号を別のノードと交換すること、および継続性の損失の検出の後に構成パラメータを変更することを行うように構成される、請求項１０に記載のノード。
【請求項１５】
前記プロセッサが、前記第１の通信プロトコルから前記第２の通信プロトコルに通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するように構成される、請求項１０に記載のノード。
【請求項１６】
前記第１の通信プロトコルまたは前記第２の通信プロトコルが、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散されるチャープ信号を伝送することに基づくチャープ・ベースの通信プロトコルである、請求項１に記載のノード。
【請求項１７】
前記チャープ・ベースの通信プロトコルが、スーパーインポーズされた拡散コードとともに、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターンに続く超音波スペクトル成分を伴うチャープ・ベースの音響パルスを含む、請求項１６に記載のノード。
【請求項１８】
音響媒体を介して音響波長で搬送されるネットワーク通信を送受信するステップであって、前記ネットワーク通信のそれぞれが、複数の通信プロトコルのうちの１つの通信プロトコルで定義される、ステップと、
個々の基本処理機能を行うように構成された論理ブロックを、ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて定義するステップであって、前記論理ブロックのシーケンスが、再構成することなくデータユニットごとに前記複数の通信プロトコルのいずれかに従ってデータユニットを処理することができる、ステップと、
論理ブロックの第１のシーケンスを通じてデータユニットを送ることによって第１の通信プロトコルに従って前記データユニットを処理するステップと、
論理ブロックの第２のシーケンスを通じてその後のデータユニットを送ることによって第２の通信プロトコルに従って前記その後のデータユニットを処理するステップと
を含む、音響通信の方法。
【請求項１９】
論理ブロックの前記第１および第２のシーケンスを通じて各データユニットを送るステップが、前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて定義されたルータによって行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
各データユニットが、対応する通信プロトコルに従って処理するための、前記個々のデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含み、前記シーケンス内の各論理ブロックによって、前記データユニットの前記ヘッダの中で指定された前記個々のシーケンスに従って、次の論理ブロックに、または出力ポートに、各データユニットを送る、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の通信プロトコルの中から１つの通信プロトコルを選択することによってアプリケーション・データを前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールに通信するステップ、および前記選択された通信プロトコルに従って処理するための、データユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを含む前記データユニットに、前記アプリケーション・データをコンバートするステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
送信デバイスからデータユニットを受信するステップ、および通信プロトコルに従って処理するための、前記受信したデータユニットが沿って送られることになる論理ブロックのシーケンスを指定するヘッダを、前記受信したデータユニットに割り当てるステップ、をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
論理ブロックの前記第１および第２のシーケンスを通じて各データユニットを送るステップが、論理ブロックの個々のシーケンスを通じて各データユニットを送るように、前記ゲート・レベル・デジタル・ハードウェア・モジュールにおいて定義された多重化ソースおよび多重化シンクによって行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
論理ブロックの各シーケンスが、通信プロトコルに対応し、論理ブロックの異なるシーケンスが、異なる通信プロトコルに対応する、請求項１８から２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の通信プロトコルが、
直交周波数分割多重、
符号分割多重接続、
時分割多重接続、
周波数ホッピング・スペクトラム拡散、
時間ホッピング・スペクトラム拡散、
直接シーケンス・スペクトラム拡散、
バイナリ・チャープ・スペクトラム拡散、および
チャープ・ベースの通信方式
のうちのいずれか２つを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記論理ブロックの構成パラメータを格納するステップ、および前記個々の構成パラメータに基づいて前記論理ブロックを再構成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記構成パラメータを生成するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ネットワーク通信の所与の通信プロトコルを指定する制御信号を受信するステップ、および前記所与の通信プロトコルに従って、前記論理ブロックがデータユニットを処理できるようにする前記構成パラメータを生成するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記音響媒体を検知するステップ、前記音響媒体の検知した変化にさらに適した次の通信プロトコルに、前記通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するステップ、前記次の通信プロトコルのデータユニットを前記論理ブロックが処理できるようにするために、前記音響媒体の検知した変化に応じて前記構成パラメータを変更するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
検知する前記ステップが、温度センサ、深度センサ、塩分濃度センサ、運動センサ、および姿勢センサといったセンサのうちの少なくとも１つによって行われる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
継続性チェック信号を別のノードと交換するステップ、および継続性の損失の検出の後に構成パラメータを変更するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の通信プロトコルから前記第２の通信プロトコルに通信プロトコルを変更することを別のノードに通知するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の通信プロトコルまたは前記第２の通信プロトコルが、コード、時間、および周波数に及ぶ多次元ドメインにわたって拡散されるチャープ信号を伝送することに基づくチャープ・ベースの通信プロトコルである、請求項１８に記載の方法。
【請求項３４】
前記チャープ・ベースの通信プロトコルが、スーパーインポーズされた拡散コードとともに、周波数ホッピング・パターンおよび時間ホッピング・パターンに続く超音波スペクトル成分を伴うチャープ・ベースの音響パルスを含む、請求項３３に記載の方法。
【国際調査報告】
2019537872.tif 000031
2019537872.tif 000032
2019537872.tif 000033